成兰铁路特长深埋隧道岩爆段应力特征

为了探究高地应力环境下深埋隧道岩爆发生机理,掌握岩爆孕育规律,通过现场测试、数值分析及室内实验,对平安特长深埋隧道岩爆段围岩的二次应力场进行了分析,探明了隧道岩爆发生的力学机制,并运用经典应力岩爆判据指标,预测判断出岩爆发生强度及位置。研究表明：隧道侧壁处存在较大的压应力,是造成岩爆发生的主要原因;高地应力条件下,由于结构面等不利因素的存在,造成掌子面中部处原岩应力突发释放而引发高烈度的岩爆;在岩爆区段进行应力释放孔的布置,能够有效地释放原岩应力,减少岩爆发生的可能性。相关研究成果能够深化人们对于高地应力环境下岩爆发生机制的认识,为类似工程岩爆的防控及建设提供科学依据。     

大岗山深埋硬岩公路隧道岩爆预测

位于川西和青藏高原接触带的长大深埋硬岩公路隧道建设面临极大的岩爆危害,对其岩爆倾向性的准确预测是解决这一瓶颈问题的关键手段。以泸石高速大岗山隧道为工程背景,基于地勘中地形地貌、地质构造、岩石力学参数和地应力实测数据资料,采用数值模拟和数理统计相结合的方法,反演分析隧址区全线初始地应力场,系统分析了大岗山隧道各断面开挖洞周围岩二次应力,基于应力判据法对其岩爆发生情况进行了综合预测。结果表明:隧道全线地应力场分布规律以竖向应力为主,竖向应力量值最大达33.25 MPa,且局部地应力复杂,水平构造作用明显,以NWW-SEE向挤压作用为主,具备发生岩爆条件;隧道埋深大于408 m时有中等、强烈岩爆活动,中等岩爆段长度占隧道全长的13.8%,强烈岩爆段长度占隧道全长的39.7%,且埋深大于450 m时岩爆在边墙部位发生;岩爆发生受地形地貌、地质构造影响显著,由于地应力在软弱岩体中得到释放,断裂带、辉绿岩脉内部无岩爆活动,而断裂带和沟谷地形会使其附近完整花岗岩段内出现地应力集中现象,从而加剧其岩爆烈度。     

大凉山地区深埋高地应力公路隧道岩爆机理及防治对策

本文以乐西高速大凉山2号隧道工程为依托,对大凉山地区深埋高地应力公路隧道岩爆机理及防治对策进行研究。从深埋隧道岩爆孕育力学角度出发,结合能量及应力条件,运用有限元分析软件MIDAS-GTS-NX分别建立隧道在不同埋深、进深及断面形状的三维有限元模型,对围岩应力特征进行比较分析。研究结果表明：从力学角度来看,岩爆的孕育过程是由弹性转换为塑性,并发生在塑性岩体中,周围弹性岩体负责为其提供能量,围岩储存的能量和开挖导致的应力集中分别是岩爆发生的根本条件和触发条件;隧道埋深、进深以及断面形状是影响隧道岩爆的重要因素,其中埋深对其影响最为明显,围岩最大主应力与隧道埋深、开挖进深及断面大小呈正相关性;隧道埋深在600 m左右时,围岩最大主应力达到45.90 MPa。根据强度应力比法,结合施工钻孔取芯参数,最终结果表明大凉山隧道属于极高地应力区,具有发生岩爆的风险,施工时应当采取相关防范措施。     

白龙江引水工程深埋长隧洞工程地质问题研究

白龙江引水工程最复杂的科学和技术难题是工程穿越西秦岭段深埋长隧洞的工程地质问题,西秦岭地质背景复杂,目前研究成果较少。通过采用室内试验、现场测试和工程地质类比分析,对西秦岭1＃隧洞的高地应力、岩爆、高地温、隧洞涌水及突水、有害气体等工程地质问题进行探讨,结果表明深埋长隧洞中地应力极高,易发生岩爆或软岩大变形,可能发生软岩型大变形洞段长度占总洞长的12%,可能发生岩爆洞段长度占总洞长的45%;地下水丰富,区域断层的最大涌水量可达8.5×104 m3/d,隧洞内具备形成涌水或突水的条件;存在一定的高地温和有害气体及放射性危害,研究结果对西秦岭地区的类似工程有借鉴意义,对工程地质问题进一步研究具有指导意义。     

白龙江引水工程深埋长隧洞工程地质问题

白龙江引水工程最复杂的科学和技术难题是工程穿越西秦岭段深埋长隧洞的工程地质问题,西秦岭地质背景复杂,目前研究成果较少。通过采用室内试验、现场测试和工程地质类比分析,对西秦岭1#隧洞的高地应力、岩爆、高地温、隧洞涌水及突水、有害气体等工程地质问题进行探讨,结果表明深埋长隧洞中地应力极高,易发生岩爆或软岩大变形,可能发生软岩型大变形洞段长度占总洞长的12%,可能发生岩爆洞段长度占总洞长的45%;地下水丰富,区域断层的最大涌水量可达8.5×10~4m~3/d,隧洞内具备形成涌水或突水的条件;存在一定的高地温和有害气体及放射性危害,研究结果对西秦岭地区的类似工程有借鉴意义,对工程地质问题的进一步研究具有指导意义。     

九岭山深埋长大隧道岩爆问题预测

岩爆是深埋长大隧道主要的工程地质问题之一,对隧道工程的危害很大,岩爆的预测研究对于隧道的设计和施工有着重要的意义。通过对九岭山隧道初步设计及施工图设计两阶段工程地质勘察成果的研究,分析该隧道的工程地质条件、岩石力学性质及地应力测试结果,并运用现有国内外多种岩爆判别准则对其在施工期间可能发生的岩爆问题进行了预测研究。结果表明,九岭山隧道在施工期间不会出现严重的岩爆,但在埋深大于450m的洞段可能会产生低岩爆活动。     

深埋公路隧道高地应力场特征分析及岩爆预测

深埋隧道岩体中有较高地应力,在岩石强度较高的围岩处易发生岩爆,影响围岩稳定性。笔架山公路隧道埋深大,为降低其安全建设风险,通过工程区岩样岩体力学实验对围岩性质进行研究,结合地应力资料建立三维有限元地质模型反演隧址区地应力场,最终利用谷-陶岩爆判据和强度应力比岩爆判据对笔架山隧道岩爆状态进行预测。结果表明：隧道工程区内岩体有中等-强烈岩爆倾向;隧道沿线地应力场由自重应力场主导,大多数区段岩体处于极高应力状态,且水平最大主应力与隧道夹角较小,有利于围岩稳定;开挖后沿线围岩最大主应力峰值为63.2 MPa,均发生在断面侧壁,因此在该部位发生岩爆的可能性较大;隧道沿线24%区段有发生岩爆的可能,且以中等-高岩爆活动为主,岩爆预测结果可为隧道开挖施工和灾害防治提供参考。     

行波效应对大跨度空间网格结构地震响应的影响

建立了一系列的标准正方形平板网格模型,分别采用时程分析法和随机振动虚拟激励法分析了不同跨度的网格模型在不同视波速的行波激励下的地震响应,并与一致激励下的地震响应进行了对比．结果表明,行波效应对网格结构杆件应力的影响随行波视波速的减小而增大,且对不同位置杆件的应力值的影响有所不同;当行波视波速小于500m／s时,行波效应对跨度大于60 m的网格结构控制杆件内力的影响程度大于lO％;当行波视波速一定时,行波效应对杆件控制内力的影响随网格结构跨度的增大而增大,不同地震激励下的行波效应差别很大．可见,行波效应对大跨度空间网格结构地震响应的影响显著;在空间网格结构抗震设计中,当结构跨度大于60 m、行波视波速小于500 m／s时,必须考虑行波效应对网格结构控制杆件内力的影响．     

桑珠岭特长隧道初始地应力场反演分析

桑珠岭隧道是拉萨-林芝铁路的控制性工程,工程区地质条件复杂,面临着深埋隧道高地应力灾害问题。因此,对其展开初始地应力场分析为保障隧道安全施工及优化结构设计具有重要意义。以现场勘察工作为基础,综合分析工程区地质资料,利用工程类比法和Anderson理论估算了隧址区主应力方向与量值范围;结合现场地应力实测数据,利用多元线性回归分析方法,进行了隧道工程区地应力场的三维反演计算分析。结果表明:测点地应力反演值与实测值在量值与方向上存在较好拟合关系;且同区域构造背景相一致,说明计算结果具有一定的合理性与可靠性。最后,通过分析桑珠岭隧道沿轴向的地应力分布规律,对隧道沿线的易发岩爆段及岩爆等级进行了初步预测,为后期隧道开挖及支护结构设计提供依据。     

深埋隧道白云岩试样岩爆模拟实验研究

基于深埋隧道开挖工程的高应力条件及构造应力发育特征,利用深部岩爆实验系统,模拟了两种构造应力条件下白云岩的岩爆过程:三向应力作用下板状试件瞬间卸载一个方向应力,保持其他两向应力不变或保持其中一向应力,增加另一向应力.实验获得了应力-时间、应力-应变、声发射特征及岩爆破坏规律.研究表明:本工程区内构造应力引发白云岩岩爆的可能性较大,岩爆临界深度为290m.竖向构造应力引发的岩爆表现为局部片状崩落,从卸载后发生时间看属于滞后岩爆;水平构造应力引发的岩爆强度更高,表现为块状弹射后整体破碎,属于瞬时岩爆.声发射峰值均出现在岩石裂隙发育段,而密集度最高值对应岩石破裂段.声发射峰值处的最大主应力约为岩石破裂时最大主应力的77.4%.     

深埋隧道强烈岩爆孕育微震主频演化规律

岩爆是深埋隧道施工过程中常见的一种地质灾害,严重制约深埋隧道开挖的安全和效率。本研究从岩爆孕育相关的岩体破裂所释放微震波频率的角度出发,建立了基于微震波频率衰减特征的隧道岩体破裂微震主频计算方法。分析了锦屏二级水电站引水隧洞群大埋深大理岩洞段,隧道掘进机(TBM)和钻爆法两种施工方法下的典型强烈岩爆案例。研究结果表明:TBM强烈岩爆孕育时岩体破裂微震主频由高向低交替变化,且在岩爆发生当日降低到最小,钻爆法强烈岩爆的微震主频演化则是无序的;TBM和钻爆法强烈岩爆孕育过程中单日最小微震主频一般低于200Hz,且TBM单日最小微震主频呈逐渐降低的趋势。微震主频的演化规律可为深埋隧道岩爆预警预测提供参考。     

基于岩爆灾害的围岩变形量时间分形分析

根据岩爆孕育及发生过程中围岩变形量的自相似特征,提出了一种时间分形计算方法.基于该方法,针对某水电站深埋引水隧洞施工过程中大量不同等级即时型的岩爆典型案例,进行岩爆过程围岩变形量的时间分形研究,结果表明:深部岩体隧洞岩爆过程中围岩变形量在时间上具有分形结构,并且表现出很好的自相似特征;依据围岩变形量时间分形维数可以对即时性岩爆进行等级划分,强烈岩爆分形维数均大于1.8,中等岩爆分形维数在1.5~1.8内,轻微岩爆分形维数小于1.5;在岩爆孕育及发生过程中,每一日的变形量时间分形维数随着岩爆孕育过程不断增加,当岩爆发生时达到最大值.上述研究结果可以为高地应力条件下深埋硬岩隧洞施工过程中岩爆灾害的预测与防治提供合理的科学依据.     

某隧道围岩模量和松动圈厚度测试

为了解小相岭隧道围岩变形参数和损伤深度等数据,利用刚性钻孔弹模计和单孔一发双收声波法对隧道掌子面附近围岩开展现场试验,并结合室内单轴压缩试验,分析围岩松动圈厚度和岩体动、静弹性模量值及其随深度分布规律。测试结果表明:钻孔弹模计测得的压力-变形曲线规律性良好,大致分为低压区、中压区和高压区;水平孔沿着洞轴线方向变形模量和弹性模量值为5.00～13.37 GPa、6.45～22.51 GPa,铅直方向变形模量和弹性模量值为5.00～13.37 GPa、6.45～22.51 GPa;铅直孔沿着洞轴线方向变形模量和弹性模量值为5.90～15.92 GPa、6.87～22.43 GPa,垂直洞轴线方向变形模量和弹性模量值为6.66～26.56 GPa、7.63～35.75 GPa;围岩整体有各向异性。围岩松动圈大致呈圆形分布,厚度为5 m。底板松动厚度明显大于洞壁,建议适当调整爆破参数,对松动圈进行加固处理,尽量减小开挖对围岩造成的损伤,本试验成果可为类似工程提供参考。     

爆破开挖扰动作用下深埋隧洞的微震分布规律

基于地应力高、开挖断面大、日炮次多、爆破扰动强的施工环境下的微震监测数据,研究了爆破开挖扰动作用下深埋隧洞的微震分布规律.结果表明:爆破开挖卸荷影响范围内的微震活动既与围岩应力重分布有关,又与爆破扰动密不可分;爆破扰动是开挖卸荷影响范围之外微震活动的主要诱因,是时滞型岩爆孕育发生的重要影响因素之一;微震分布区域与爆破地点的相对位置及距离密切相关.研究结果可为钻爆法开挖下的隧洞岩爆防治提供参考.     

基于集对分析法的岩爆烈度分级预测研究

集对分析方法是一种处理不确定性问题的系统分析方法,该方法数学表达简单,物理意义明确,所含意义深远.基于集对分析理论,选取影响岩爆的主要因素如最大切向应力σθ、单轴抗压强度σc、单轴抗拉强度σt、弹性能量指数Wet和岩石的脆性指数Is,并把σθ/σc,σc/σt,Wet和Is作为岩爆预测的主控因子,建立了岩爆预测的集对分析模型,对各个工程岩爆烈度级别进行预测.结合国内外一些典型深埋长大隧道工程实例进行分析计算,通过实际预测分析对比表明,集对分析法简便易行,评价结果准确,在隧道岩爆烈度级别的评判中具有广泛的实用价值.     

既有高速公路隧道承载能力分析研究

结合某高速公路隧道的实际工程,采用超声回弹综合法（结合钻芯取样）等无损检测方法,对其技术状态进行检测,并在检测数据的基础上,运用有限元数值模拟对该隧道结构的承载能力进行了评估。检测及评估结果：31个测区中,共有8个测区混凝土强度小于设计强度,最小测区强度为设计强度的76.0%;衬砌混凝土的弹性模量分别为：25.65GPa、22.29GPa、22.72GPa,均小于设计混凝土弹性模量;通过结构最小安全系数为3.4,该隧道结构稳定性仍能满足要求。     

新型钻地武器毁伤与防护计算原理

目前新型钻地武器对地打击速度普遍在1 500 m/s 以上, 既有地下防护工程设计计算方法无法涵盖上述速度范围。 针对当今大口径制导钻地炸弹、 高超声速钻地弹、 小型钻地核弹毁伤效应与防护工程计算理论存在的难题, 简要介绍了作者及团队近些年在该方面的主要理论研究成果。 包括: (1) 大口径钻地弹弹靶作用弹径效应; (2) 钻地爆炸耦合效应; (3) 高超声速弹靶作用近区介质流固耦合状态; (4) 高超声速撞击成坑耦合地冲击效应; (5) 抗钻地核弹防护工程高地应力动静耦合效应; (6) 钻地核爆远区深埋防护工程围岩长期稳定性。     

闪长岩力学性能实验

针对燕山期的蚀变闪长岩静动态基础力学参数缺乏的问题.采用现场取样、现场试验及实验室实验的方法,分别对闪长岩岩石样本进行了密度测试、点载荷仪的点载荷试验、压力机的单轴抗压强度试验和声波测试仪的纵横波测试试验.得到了该燕山期蚀变闪长岩的密度为2 848 kg/m3、点载荷强度为7.12 MPa,单轴抗压强度为140.68 MPa,纵波平均波速为4 797 m/s,横波平均波速为2 705 m/s,并在此试验数据基础上运用弹性波理论计算公式得出了该闪长岩试件的动弹性模量52.8GPa和动泊松比0.267.该试验结果为制定井筒爆破方案设计及确定脆性岩石材料本构模型参数提供参考数据.     

页岩声学参数与力学参数相关性的试验研究

用实验方法探讨了页岩的波速和衰减系数与抗压强度、弹性模量,泊松比的相关性。结果表明:1纵波波速建立的力学参数模型比横波波速模型的相关性要好;2除纵波波速与弹性模量模型的相关性较好外,纵波波速反演抗压强度、泊松比的误差较大;3纵波衰减系数与弹性模量、泊松比、抗压强度分别呈正相关指数、负相关线性和负相关多项式关系,且纵波衰减模型比波速模型的拟合效果好;4综合考虑波速和衰减系数建立的抗压强度模型、弹性模量模型、泊松比模型比单一因素模型反演精度更高,纵波波速和衰减系数。综合模型的相关性系数均大于0.85,完全能满足工程需要。其中横波的波速、衰减系数的抗压强度模型与纵波的波速、衰减系数模型预测结果相近,可用以验证纵波抗压强度预测效果。     

冲击荷载作用下层状充填体动力学特性及破坏模式

为研究冲击荷载作用下层状充填体的动力学特性,本文采用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统及LSDYNA模拟软件,研究灰砂比、冲击速率和分层数对充填体动态弹性模量、静/动态峰值应力、动态强度增长因子及破坏模式的影响规律。研究结果表明：随分层数增加,充填体的动态弹性模量、静/动态峰值应力逐渐减小;随灰砂比增加,充填体的静/动态峰值应力逐渐增大;随冲击速率增大,充填体的动态弹性模量、动态峰值应力及动态强度增长因子逐渐增大;在冲击破碎过程中,完整充填体的破坏模式主要表现为剪切破坏,而层状充填体则于分层面处发生劈裂破坏;当冲击速率小于4 m/s时,未分层充填体沿试件表面发生轻微破碎,层状充填体则沿试件分层面处发生断裂;充填体内分层面的存在可降低充填体动态峰值应力。